液化天然氣接收站安全分析

1、液化天然氣接收站安全分析液化天然氣接收站在卸船、接收、儲存及氣化過程中影響安全的主要因素是火災(zāi)爆炸，次要因素包括低溫凍傷、噪聲、觸電及機(jī)械傷害等。一、 LNG 的泄漏液化天然氣生產(chǎn)過程中發(fā)生的火災(zāi)爆炸或低溫凍傷等安全事故多因 LNG 泄漏 (或溢出 )引起，LNG 泄漏能使現(xiàn)場的人員處于非常危險的境地。這些危害包括低溫灼燒、凍傷、體溫降低、肺部傷害、窒息等。當(dāng)蒸氣云團(tuán)被點燃發(fā)生火災(zāi)時，熱輻射也將對人體造成傷害。如果系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生 LNG 溢出或泄漏， LNG 在短時間內(nèi)將產(chǎn)生大量的蒸氣。與空氣形成可燃的混合物，并將很快擴(kuò)散到下風(fēng)處。于是，產(chǎn)生LNG溢出的附近區(qū)域均存在發(fā)生火災(zāi)的危險性。LNG

2、蒸氣受熱以后，密度小于空氣，有利于快速擴(kuò)散到高空大氣中。蒸氣擴(kuò)散的距離與初始溢出的數(shù)量、持續(xù)的時間、風(fēng)速和風(fēng)向、地形，以及大氣的溫度和濕度有關(guān)。從對LNG 溢出的研究表明：風(fēng)速比較高時，能很快地驅(qū)散LNG 蒸氣云團(tuán)；風(fēng)速較低 (或無風(fēng) )時，蒸氣云團(tuán)主要聚集在泄漏點附近。移動的蒸氣云團(tuán)容易產(chǎn)生燃燒的區(qū)域，主要是在可見氣團(tuán)的周圍，因為這些區(qū)域內(nèi)的部分混合氣體處于燃燒范圍之內(nèi)。LNG 泄漏屬于一種比較嚴(yán)重的事故，由設(shè)備的損壞或操作失誤等原因引起。正確評估LNG 的溢出以及蒸氣云的產(chǎn)生與擴(kuò)散，是有關(guān)安全的一個重要問題。 溢出的 LNG 蒸發(fā)速度非?？欤纬纱罅康恼魵庠?。蒸氣云將四處擴(kuò)散，比較危險的情

3、況是遇到火源產(chǎn)生火災(zāi)。因為蒸氣的數(shù)量多，溢出的LNG 能不斷地蒸發(fā)和擴(kuò)散。在蒸氣擴(kuò)散的過程中，如果遇到有風(fēng)的情況，火災(zāi)可能迅速蔓延。而且火災(zāi)本身也能產(chǎn)生強勁的空氣對流。因此，在考慮人員和設(shè)備的安全問題時，應(yīng)重視風(fēng)和火相互作用的影響。最危險的情況是由于燃燒產(chǎn)生強烈的空氣對流，能對 LNG 設(shè)備造成進(jìn)一步的損壞，擴(kuò)大事故的嚴(yán)重性。(一)LNG 泄漏危害分析LNG 的泄漏可以分為泄漏到地面和水面兩種情況。1.LNG 泄漏到地面主要是指陸地上的 LNG 系統(tǒng)，因設(shè)備或操作原因，使 LNG 泄漏到地面。由于 LNG 與地面之間存在較大的溫差， LNG 將吸收地面的熱量迅速氣化。這是一個非?？焖俚臍饣^程

4、，初期的氣化率很高，只有當(dāng)土壤中的水分被凍結(jié)以后，土壤傳遞給LNG 的熱量逐漸地減少，氣化速率才開始下降。另外，周圍空氣的傳導(dǎo)和對流，以及太陽輻射也會增加 LNG 的氣化速率。在考慮系統(tǒng)或設(shè)施的安全性問題時，應(yīng)考慮兩方面的問題：首先是設(shè)備本身，在萬一發(fā)生泄漏的情況下，設(shè)備周圍應(yīng)具備有限制LNG 擴(kuò)散的設(shè)施 (圍堰或蓄液池 )，應(yīng)使 LNG 影響的范圍盡可能縮小；其次是LNG 溢出后，抑制氣體發(fā)生的速率及影響的范圍。圍堰是用于液化天然氣儲罐發(fā)生泄漏時，防止LNG 擴(kuò)散的設(shè)施。圍堰內(nèi)的容積應(yīng)足夠容納儲罐內(nèi)的液態(tài)天然氣。在某些設(shè)計中，則在儲罐周圍的地面采用低熱導(dǎo)率的材料，如用具有隔熱作用的水泥圍起來

5、，以減少蒸發(fā)的速率。另一種減少蒸發(fā)速率的安全措施是圍繞圍堰，安裝有固定的泡沫發(fā)生器， 在發(fā)生 LNG 溢出時，泡沫發(fā)生器噴出泡沫，泡沫覆蓋在圍堰中的 LNG 上面，可以減少來自空氣的熱量， 降低 LNG 蒸氣產(chǎn)生的速率。 目前有一些新的設(shè)計理念， 儲罐周圍不設(shè)圍堰。 LNG儲罐安裝在一鋼筋混凝土的撲殼內(nèi)，內(nèi)罐通常使用 9Ni 鋼制造。如果內(nèi)罐發(fā)生溢出或泄漏，泄漏的液體包含在水泥外殼的內(nèi)部，液體表面暴露于空氣的面積相對很小， 氣體產(chǎn)生的速度比 LNG 在圍堰內(nèi)要小得多。比較危險的是 LNG 氣體在飄散的過程中，可能在途中遇到點火源，然后產(chǎn)生燃燒，火焰順著蒸氣云往回蔓延到蒸氣發(fā)生點，對設(shè)施具有潛在

6、的毀壞作用。2.LNG 泄漏到水面LNG 在水面上產(chǎn)生溢出時，水面會產(chǎn)生強烈的擾動，并形成少量的冰。氣化的情況與LNG 泄漏到地面差不多，當(dāng)然，溢出到水面的蒸發(fā)速度要快得多。而且水是一個無限大的熱源，水的流動性為LNG 的氣化提供了穩(wěn)定的熱量。有關(guān)的LNG 工業(yè)機(jī)構(gòu)和航運安全代理機(jī)構(gòu)，對 LNG 在水上泄漏的情況進(jìn)行了深入地研究。根據(jù)有關(guān)的報道， LNG泄漏到水面的蒸發(fā)速率0.181kg/(m2 s)，基本上不受時間的影響。LNG 泄漏到水面上，最重要的安全問題是蒸氣云的形成和引起火災(zāi)的可能性。在空曠的地方，LNG 產(chǎn)生的蒸氣云一般不會產(chǎn)生爆炸，但有可能引起燃燒和快速蔓延的火災(zāi)。蒸氣云產(chǎn)生以后

7、，主要有兩個方面的問題：一是蒸氣云隨著風(fēng)向的擴(kuò)散，如果在下風(fēng)方向存在高溫?zé)嵩椿蚧鹪?，就有可能點燃這些可燃?xì)怏w的云團(tuán)；二是天然氣云團(tuán)被點燃后，火焰的擴(kuò)散及火焰產(chǎn)生的熱流將點燃飄逸的天然氣云團(tuán)。蒸氣云團(tuán)在大氣中的擴(kuò)散是個令人關(guān)注的問題。一旦發(fā)生類似的事故以后，需要利用氣象學(xué)方面的技術(shù)，對可能擴(kuò)散到的區(qū)域提前進(jìn)行預(yù)報，預(yù)先采取防火和防空氣污染的措施。表6-5 列出了 LNG 和液氮在水面的蒸發(fā)量和熱流范圍。表 6-5LNG 和液氮在水面的蒸發(fā)量和熱流范圍蒸發(fā)條件蒸發(fā)率 kg/(m2 s)熱流密度 /(103W/m2)最大值平均值最大值平均值LNG 水面蒸發(fā)0.2290.3030.1460.19513

8、2.5176.684.9113.3LNG 冰上蒸發(fā)0.3320.7320.1710.190192.4328.199.1123.0液氮水面蒸發(fā)0.110.3420.0630.17130.368.112.6234.1(二)LNG 泄漏后的蒸氣擴(kuò)散對 LNG 的泄漏，希望能夠預(yù)測 LNG 蒸氣量與溢出距離和溢出時間的函數(shù)關(guān)系。這樣可以通過用溢出的流量和時間來預(yù)測可能產(chǎn)生危險的區(qū)域。預(yù)測首先要估計溢出發(fā)生時產(chǎn)生的蒸氣量，有突然溢出和逐步溢出之分。突然溢出后， LNG 的蒸發(fā)速率隨著時間的增加而減少。逐步溢出的 LNG 則像在溢出到?jīng)]有限制的水面上一樣，蒸發(fā)很快。特別要考慮溫度較低的蒸氣， 因密度比空氣

9、大， 流出圍堰后會四處彌散。 LNG 蒸氣充滿圍堰后，然后會流出圍堰，所需的時間要等于或大于達(dá)到穩(wěn)定蒸發(fā)的時間。蒸氣在達(dá)到穩(wěn)定蒸發(fā)后流出圍堰區(qū)。蒸氣也有可能在充滿圍堰前，密度就已經(jīng)減小，能上升擴(kuò)散到空氣中，這是比較理想的情況。泄漏后蒸氣量與泄漏距離和溢出時間的關(guān)系由LNG 蒸氣的產(chǎn)生速率、圍堰等限制建筑的結(jié)構(gòu)形式、大氣條件，包括風(fēng)速、垂直溫度梯度及濕度等決定。LNG 蒸氣的擴(kuò)散與空氣流動的情況有關(guān)。無風(fēng)條件下的擴(kuò)散，比較重的 LNG 蒸氣受熱上升前，只有少量的 LNG 蒸氣與空氣混合。蒸氣從與之接觸的地面、太陽輻射中獲取能量，同時冷凝和凍結(jié)大氣中的水分。濕空氣形成了可見的蒸氣團(tuán)。在無風(fēng)條件下模

10、擬 LNG 蒸氣擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型顯示：高含量的 LNG 蒸氣聚集在溢出點附近，隨后由于溫度上升，密度減小，空氣的浮力作用使之?dāng)U散。溢出流量比較小的情況下，蒸氣逐漸擴(kuò)散和消失，而溢出流量很大時，蒸氣擴(kuò)散越來越嚴(yán)重。當(dāng)蒸氣受熱后，開始上升，在上升過程中與空氣混合。有風(fēng)的條件下擴(kuò)散時， LNG 蒸氣團(tuán)被流動的空氣帶走，向下風(fēng)方向移動。空氣將 LNG 蒸氣從溢出處帶走的過程很復(fù)雜。在大氣中，空氣與溫度很低的 LNG 蒸氣混合，以及 LNG 蒸氣被空氣加熱和混合氣體變輕的過程也是很復(fù)雜的，和風(fēng)速、垂直溫度梯度、障礙物情況有關(guān)。雖然過程比較復(fù)雜，但也可以用數(shù)學(xué)模型來模擬。有些研究人員用數(shù)學(xué)模型模擬了大型圍堰

11、區(qū) LNG 溢出后，產(chǎn)生的蒸氣順風(fēng)擴(kuò)散的情況。同樣，在水面上的無限制泄漏的情況也可以模擬。風(fēng)速和垂直溫度梯度的共同作用，影響 LNG 蒸氣的水平和垂直的擴(kuò)散。 LNG 蒸氣在擴(kuò)散的過程中，溫度倒置 (指空氣上部的溫度比靠近地面的溫度高 )，較低的風(fēng)速將使混合過程變慢，并增加順風(fēng)方向的漂移距離。(三)LNG 泄漏的預(yù)防焊縫、閥門、法蘭和與儲罐壁連接的管路等，是LNG 容易產(chǎn)生泄漏的地方。當(dāng) LNG 從系統(tǒng)中泄漏出來時，冷流體將周圍的空氣冷卻至露點以下，形成可見霧團(tuán)。通過可見的蒸氣云團(tuán)可以觀測和判斷有LNG的泄漏。當(dāng)發(fā)現(xiàn)泄漏后，應(yīng)當(dāng)迅速判斷裝置是否需要立即停機(jī)，還是在不停機(jī)的情況下可將泄漏處隔離和

12、修復(fù)，事先應(yīng)當(dāng)制定評估泄漏的標(biāo)準(zhǔn)并決定相應(yīng)的措施。另外，安全規(guī)程中必須防止人員接近泄漏的流體或冷蒸氣，并盡量減少蒸氣接近火源。工廠應(yīng)當(dāng)安裝柵欄、警告標(biāo)志、可燃?xì)怏w檢測器等設(shè)備。1.管路閥門的泄漏閥門是比較容易漏泄的部件。 雖然 LNG 系統(tǒng)的閥門都是根據(jù)低溫憊件設(shè)計的，但當(dāng)系統(tǒng)在工作溫度下被冷卻后，金屬部分會產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮，管路閥門可能產(chǎn)生泄漏。需要充分考慮這種泄漏的可能性應(yīng)對措施，并安裝必需的設(shè)備。另外，為了在冷卻過程中操作調(diào)節(jié)這些部件，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)備相應(yīng)的工具和服裝?？傊?，暴露在外部的LNG 設(shè)備上的閥門，可以通過閥門上異常結(jié)霜來判斷是否出現(xiàn)泄漏。日常的檢測可以有效地防止液體的泄漏。2.輸送軟管

13、和連接處的泄漏LNG 從容器向外輸送時， LNG 在管路中流動，并有蒸氣回流。由于溫度很低，造成管路螺紋或法蘭連接處的泄漏。 在使用軟管輸送LNG的情況下，軟管本身也可能產(chǎn)生泄漏。柔軟的軟管必須通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的壓力測試，并在使用前對每根管路進(jìn)行檢查，盡量減少泄漏發(fā)生的可能性。當(dāng)輸送管萬一發(fā)生泄漏時，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)拇胧⑿孤┨幎伦?，或切斷輸送，更換泄漏部件。同時，個人安全保護(hù)和防止蒸氣點燃等措施也要同時啟動。3.氣相管路的泄漏在天然氣液化、存儲、氣化等流程中，液化流程使用的制冷劑也有可能產(chǎn)生泄漏。連接液化部分和儲罐的管路。、氣體回流管路及氣化環(huán)路都可能產(chǎn)生漏泄。當(dāng)氣化器及其控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，冷氣

14、體和液體會進(jìn)入普通溫度下運行的管路，造成設(shè)備的損壞，此時應(yīng)當(dāng)采取預(yù)防措施，使其能夠迅速隔離產(chǎn)生泄漏的管路和氣化器，同時采取緊急控制措施，阻止液體繼續(xù)流入氣化器。冷氣體的泄漏主要發(fā)生在焊縫、閥門、法蘭、接頭和容器與管路的連接處。在一個封閉空間中，大量的泄漏有可能使工作人員產(chǎn)生窒息的危險。當(dāng)冷氣體泄漏后，應(yīng)當(dāng)像處理液體泄漏一樣采取應(yīng)對措施。這些措施包括：關(guān)閉系統(tǒng)、隔絕泄漏區(qū)域、保護(hù)人身安全、隔離火源并盡快將蒸氣云團(tuán)驅(qū)散。在離火源很近的區(qū)域 (如使用燃燒設(shè)備的氣化器 )，應(yīng)當(dāng)設(shè)置快速關(guān)閉系統(tǒng)。除了安裝自動裝置防止冷氣體或液體進(jìn)入外輸管路系統(tǒng)外，氣化器還應(yīng)當(dāng)安裝可燃?xì)怏w檢測器、燃燒傳感器、自動干粉滅火

15、器等設(shè)備。(四)LNG 泄漏的控制如果 LNG 蒸氣在室內(nèi)發(fā)生泄漏，通風(fēng)和消除點火源是首要的措施。LNG 工廠中使用通風(fēng)機(jī)連續(xù)的通風(fēng)，將 LNG 蒸氣排出。除了引出蒸氣外，風(fēng)機(jī)可以使蒸氣與周圍的空氣加速混合，因此促進(jìn)了蒸氣團(tuán)的受熱與擴(kuò)散。在封閉區(qū)域，當(dāng)使用 CO2 滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火時，要關(guān)閉通風(fēng)的風(fēng)機(jī)。維護(hù)結(jié)構(gòu)和溢流通道可以抑制蒸氣的擴(kuò)散。 LNG 溢出如果發(fā)生，應(yīng)該首先控制溢出的液體和閃蒸的蒸氣，控制 LNG 液體的遷移和抑制已點燃的火源的擴(kuò)散。維護(hù)結(jié)構(gòu)和溢流通道的設(shè)計，由溢流區(qū)域和溢流產(chǎn)生危險的可能性來確定。當(dāng) LNG 蒸氣云團(tuán)中沒有點火源， 操作人員和設(shè)備只有被低溫液體損害的危險，這是比較理想的情況。如果 LNG 流到未包復(fù)防護(hù)材料的設(shè)備或構(gòu)件表面，將快速氣化。 LNG 在表面流動幾分鐘，物體被冷卻以后， LNG 的蒸發(fā)率會有所降低。還可以采用混凝土或泥土等材料建造圍堰，或修成溝渠，或其他形式的防護(hù)結(jié)構(gòu)，將溢出的 LNG 限制在一定的范圍內(nèi)，不讓其任意流淌，可以大幅度地減少 LNG 的蒸發(fā)。溢出的 LNG 被限制在圍堰或溝渠之內(nèi)，減小暴露的 LNG 表面與空氣的對流換熱，也可以降低蒸發(fā)量。采